本发明涉及地下洞室建设，具体为一种围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置和测试方法。
背景技术：
1、大型地下工程建设呈现出蓬勃发展的态势，对地下洞室的开发和利用需求不断增加，如高山峡谷区水电工程大多数都设计了大型或超大型的地下洞室群作为主要水工建筑物，地下洞室通常采用深埋式地下厂房。地下厂房在工程建设时往往会遭遇复杂的地质物理环境，比如地壳运动活跃、地震断裂带发育等，这些地质物理环境往往伴随着高地应力场。而岩石抗拉强度远远小于抗压强度，当岩石受到的拉应力高于岩石的抗拉强度时，岩石发生拉伸破坏，其破坏通常受抗拉强度控制。因此，在高地应力场条件下，地下洞室围岩抗拉强度的准确测量对洞室工程的设计和施工具有十分重要的意义。
2、现有技术中，直接拉伸试验测量岩石抗拉强度十分困难，通常采用间接法即应用巴西劈裂实验来测量洞室围岩的抗拉强度。间接法抗拉强度巴西劈裂实验的核心理论是通过在圆柱形试件上施加径向线荷载，直至试件引发破裂，从而求取岩石的抗拉强度。根据理论要求，试验需要满足以下两个关键点：1、施加的荷载必须是线荷载，以在试样中心产生径向拉伸应力，从而导致试样破裂。2、试样的中心必须位于加载装置的中心，以确保试样受到均匀的荷载分布。对于高地应力条件下的地下洞室工程领域，现有的围岩巴西劈裂实验存在以下问题：(1)高地应力区域中岩石所受的围压较大，如果在巴西劈裂试验中不考虑围压，试验结果将无法准确反映高地应力围压条件下岩石的抗拉强度，从而难以为工程设计提供不同围压下的准确依据；(2)围压往往控制岩石变形破坏机制即劈裂面的发展方式和形态，因此需要在试验中考虑围压的影响，以更好地模拟实际工程条件；(3)巴西劈裂试验要求在试样中心进行劈裂，但现有的装置通常使用压板夹持试样，在试样装载的过程中，难以精确定位岩样并确保线荷载的施加。综上，现有技术中的巴西劈裂试验装置难以满足考虑高地应力条件下地下洞室工程围压影响控制的岩石抗拉强度测试需求。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置和测试方法，对围岩试样施加围压模拟高地应力条件下洞室环境，同时实现试样的精准定位，从而测量出不同围压条件岩石的抗拉强度。
2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
3、一种围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其结构特点是：包括筒体、贯穿筒体顶部的压杆、以及设置在筒体内的上压板、下支撑板和胶套，筒体上分别设有围压入口和围压出口；所述压杆可沿筒体高度方向移动，压杆的下端部通过上部压头与上压板相连，上压板与下支撑板相对设置；所述上压板的底部和下支撑板的顶部均为与待测岩石试样外径相匹配的弧面结构，上压板底部设有劈裂刀头；所述胶套的两端分别与上部压头和下支撑板相连，胶套与上压板和下支撑板之间形成密闭环空。
4、根据规范建议，巴西劈裂试验的待测岩石试样为圆柱体结构，直径为48～54mm，厚度为直径的0.5～1.0倍。本发明的测试装置使用时，待测岩石试样由上压板和下支撑板的弧面结构从上下两侧共同进行包覆，上压板对待测岩石试样起到限位作用、下支撑板对待测岩石试样起到支持和限位作用，劈裂刀头作为加载部件与待测岩石试样接触，从而实现对待测岩石试样的精准定位，克服了现有技术使用压板夹持试样难以精确定位岩样施加线荷载的技术问题。通过设置胶套，使得待测岩石试样处于密闭环空内。通过围压入口向胶套与筒体之间施加围压至设计压力，围压通过胶套传递至待测岩石试样上，对压杆进行加载直至待测岩石试样劈裂。采用环形施加围压的方式，既满足了围压可以均匀的施加和传递到待测岩石试样的两侧，又可以满足试验过程中施加压力的平衡以及围压在试样中心线性均匀传递，而不是集中在一个点或区域。本发明的测试装置有效地引入围压，更真实地模拟地下洞室工程的实际围岩环境，从而能够准确地测量高地应力围压条件下岩石的抗拉强度，为工程设计提供不同围压条件下的准确依据，解决了现有技术中巴西劈裂试验中不考虑围压而导致试验结果无法准确反映高地应力围压条件下岩石的抗拉强度从而无法模拟实际工程条件的技术问题。
5、优选的，所述劈裂刀头为半圆柱体结构，该半圆柱体结构的圆弧面朝向下支撑板。将劈裂刀头设计为半圆柱体结构，劈裂刀头对待测岩石试样进行加载时，可以保证与待测岩石试样的接触为线性接触，同时加载力以弧形路径作用于待测岩石试样，加载的应力更接近于工程现场的应力分布，可有效模拟裂纹的扩展路径，有助于减少应力集中的效用，实现均匀的应力分布，提高试验结果的精度。
6、优选的，所述劈裂刀头设置在上压板底部弧面结构的中心。进行试验时，通过上压板和下支撑板对待测岩石试样进行限位，同时将劈裂刀头固定在中心位置，从而使得待测岩石试样的中心始终位于加载装置的中心，确保待测岩石试样的起裂位置位于待测岩石试样的中心，有助于实现均匀的应力分布。
7、具体的，所述压杆、上部压头、上压板、下支撑板和胶套的中心轴线共线。
8、具体的，所述胶套与上部压头和下支撑板的连接处设有密封环。通过密封环分别用于对胶套上下两侧进行密封，使得胶套内形成密闭空间，提高试验过程中的稳定性和安全性。同时，密封环不会对压杆造成干涉，也不会影响压杆的上下移动。
9、优选的，所述下支撑板顶部弧面结构的中心设有声发射装置。通过设置声发射装置对劈裂破裂面的发展方式和形态进行详细记录
10、优选的，所述下支撑板与筒体底部可拆卸固定连接。
11、优选的，所述筒体的底部和顶部盖板与筒体的侧壁通过连接件可拆卸固定密封连接。
12、基于同一发明构思，本发明还提供了一种围岩抗拉强度巴西劈裂测试方法，使用如上所述的岩石抗拉强度巴西劈裂测试装置，包括以下步骤：
13、s1、将待测岩石试样装入胶套内，并调整待测岩石试样的位置，使得待测岩石试样的轴线与胶套的轴线相垂直；压杆向上移动，将装有待测岩石试样的胶套整体装入筒体内，调整方向，使得待测岩石试样落在下支撑板顶部的弧面上，推动压杆带动上压板向下移动，使得劈裂刀头与待测岩石试样相接触；将胶套的两端分别与上部压头和下支撑板密封相连；
14、s2、将筒体密封，通过围压入口向密闭环空施加围压至设计压力；
15、s3、待围压稳定后，对压杆向下加载，使得劈裂刀头对待测岩石试样进行劈裂。
16、步骤s3中，压杆的加载方式可采用液压加载，可将测试装置置于万能试验机中进行加载。
17、优选的，步骤s2中，通过围压泵向筒体内注入围压液，同时采用伺服系统对围压泵进行控制。通过伺服系统对围压泵进行实时控制，从而确保试验过程中围压的稳定，提高试验的精度和准确度。
18、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
19、(1)、本发明的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置和测试方法，有效地引入围压，以更真实地模拟地下洞室工程的实际围岩环境，能够准确地测量高地应力条件下岩石的抗拉强度，为工程设计提供更为准确的依据。
20、(2)、本发明的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置和测试方法，引入了弧形刀头加载方式，同时弧形刀头始终位于试样中心，确保了试验中的线性接触，显著提高了试验的精度。
21、(3)本发明的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置和测试方法，该装置通过自动夹持和精确定位，能够实现对不同尺寸的巴西劈裂和巴西劈裂试验的精确实施，所配备的声发射装置还可以详细记录高地应力条件下地下洞室围岩破裂面的发展方式和形态。
1.一种围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：包括筒体(1)、贯穿筒体(1)顶部的压杆(5)、以及设置在筒体(1)内的上压板(6)、下支撑板(4)和胶套(8)，筒体(1)上分别设有围压入口(11)和围压出口(12)；
2.根据权利要求1所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：所述劈裂刀头(7)为半圆柱体结构，该半圆柱体结构的圆弧面朝向下支撑板(4)。
3.根据权利要求2所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：所述劈裂刀头(7)设置在上压板(6)底部弧面结构的中心。
4.根据权利要求3所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：所述压杆(5)、上部压头(3)、上压板(6)、下支撑板(4)和胶套(8)的中心轴线共线。
5.根据权利要求1所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：所述胶套(8)与上部压头(3)和下支撑板(4)的连接处设有密封环(9)。
6.根据权利要求1所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：所述下支撑板(4)顶部弧面结构的中心设有声发射装置(13)。
7.根据权利要求1所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：所述下支撑板(4)与筒体(1)底部可拆卸固定连接。
8.根据权利要求1所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试装置，其特征在于：所述筒体(1)的底部和顶部盖板与筒体(1)的侧壁通过连接件(2)可拆卸固定密封连接。
9.一种围岩抗拉强度巴西劈裂测试方法，其特征在于：使用如权利要求1～8任一项所述的岩石抗拉强度巴西劈裂测试装置，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的围岩抗拉强度巴西劈裂测试方法，其特征在于：步骤s2中，通过围压泵向筒体(1)内注入围压液，同时采用伺服系统对围压泵进行控制。
